(57)【要約】  高精度液体排出システムであって、少なくとも１つのツーピースポンプ（１、２）と高精度閉鎖ループ制御ドライブシステムを有しており、生体科学分野で利用すべく高精度微量液体排出を提供する。複径ポンプは複数のインレットポート（３）とアウトレットポート（４）を有したポンプと組み合わされ、マイクロチタープレートピペットおよび他の高精度排出において使用すべく単ポンプで高精度の複アウトレット排出を提供する。インレットポートはシリンダの小径側に提供され、アウトレットポートはシリンダの大径側に提供されている。閉鎖ループフィードバックを備えたマイクロコントローラはポンプピストン（１２）の高精度直線ポジションとモーション並びにノズルのオプション制御を提供し、高精度微量液体排出を提供する。【選択図】図１
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
高精度液体排出システムであって、
外側シリンダ内に提供された複径ピストンを有したツーピースポンプであって、該外側シリンダは該ピストンと同数の異サイズ径を有しており、本ポンプは該外側シリンダに取り付けられ、該ピストンと該外側シリンダとにより形状化された複数のインプットポート及びアウトプットポートを有しているポンプと、
前記外側シリンダに取り付けられ、該外側シリンダを固定保持する固定フレームと、
前記ピストンに取り付けられ、前記固定フレームに対して移動することで該ピストンを移動させるスライドフレームと、
前記スライドフレームに取り付けられ、前記ピストンとカップリングしており、該ピストンを複数のポートポジション間で回転させる第１モータと、
前記固定フレームに取り付けられ、前記スライドフレームを該固定フレームに対して移動させて前記ピストンを移動させる第２モータと、
インプットとアウトプットが関与する閉鎖ループフィードバック制御システムであって、該インプットは前記ピストンのポジションに対応し、該アウトプットは前記第２モータ制御し、本閉鎖ループフィードバック制御システムは前記ピストンに所定量の液体を精密に排出させる閉鎖ループフィードバック制御システムと、
を含んで構成されることを特徴とする高精度液体排出システム。
【請求項２】
所定量の液体を排出させる方法であって、
閉鎖ループフィードバック制御システムに望む排出液体量を入力するステップであって、該閉鎖ループフィードバック制御システムはツーピースポンプのスライドピストンにカップリングされており、該ピストンは複数のインレットポートポジションとアウトレットポートポジションとの間で回転し、液体の排出および供給のために直線状に移動し、前記閉鎖ループフィードバック制御システムは該ピストンの直線移動ポジションを検出して制御するステップと、
前記ピストンを所定のインレットポートポジションにまで回転させるステップと、
該ピストンを直線的に移動させて液体を供給するステップと、
該ピストンを所定のアウトレットポートポジションにまで回転させるステップと、
該ピストンを前記閉鎖ループフィードバック制御システムによって直線的に移動させて精密な液体量を排出させるステップと、
を含んで成ることを特徴とする液体排出方法。
【請求項３】
複径ピストンと複径シリンダは大径と小径を有しており、インレットポートは該小径側に提供されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高精度液体排出システム。
【請求項４】
アウトレットポートは大径側に提供されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高精度液体排出システム。
【請求項５】
第１モータと第２モータはステッパモータであることを特徴とする請求項１または２に記載の高精度液体排出システム。
【請求項６】
少なくとも１つのインプットポートと少なくとも１つのアウトレットポートは整合状態であることを特徴とする請求項１または２に記載の高精度液体排出システム。
【請求項７】
ピストンのポジションに対応し、閉鎖ループフィードバック制御システムにインプットを提供する直線状スケールをさらに含んでいることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高精度液体排出システム。
【請求項８】
第２ステッパモータは１２５０００ステップ／回転であることを特徴とする請求項５記載の高精度液体排出システム。
【請求項９】
ツーピースポンプは制御式ノズルにカップリングされたアウトプットを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の高精度液体排出システム。
【請求項１０】
制御式ノズルは閉鎖ループフィードバック制御システムにより制御されることを特徴とする請求項９記載の高精度液体排出システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は生体科学分野での精密液体排出に関し、特には閉鎖ループ制御が可能な複径シリンダおよびピストン並びに複インレットポートおよびアウトレットポートを備えたツーピースポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラスシリンジとシール状のピストンを使用するシリンジポンプは生体科学分野において液体排出用として普通に利用されている。通常は独立したバルブが液体インレットとアウトレットの制御に利用されている。現在、カルボ、クローン＆ハミルトン社のシリンジポンプは１μｌから５０ｍｌまで様々なシリンジサイズを提供する。バルブ機能は複数のインレットポートおよびアウトレットポートを提供する。シリンジバレルは密封シールを使用してバルブ本体内に直接的に挿入されるが、一般的にはバルブはシリンジから分離できる。シリンジ面積とピストン直線移動距離は排出シリンジ液量を規定する。一般的に、回転運動を直線運動に変換するリードスクリューにカップリングされたステッパモーターがシリンジピストン移動を制御する。ステッパモータはしばしばシャフトエンコーダを有しており、モータステップロスのドライブオーバーロード検出を提供する。
【０００３】
単純なツーピースポンプは知られており、ステンレススチールまたはセラミック材料で提供される。このタイプのポンプはピストンとシリンダで構成されており、ピストンはバルブ機能をも提供する。
【０００４】
シリンジタイプの容積移送式ポンプは極少量の液体を排出できるが、液量が３μｌ以下となると液滴を管あるいはノズルから落下させるには排出表面との接触が必要である。アクティブノズルが開発され、マイクロアレイ市場のために少液量の移動を可能にした。液体カップリングおよびシリンジポンプと同調したソレノイドバルブが使用されている。他のシステムではエアゾール噴射またはシリンジポンプにカップリングされた圧電装置を使用して小液量排出を助けている。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
現在強く求められているのは安価であり、小型であって洗浄が容易で正確な生体科学用の小液量排出システムである。それらの達成のためにはツーピースポンプは少なくとも２径のピストンとシリンダ、複数のインレットポートとアウトレットポートおよび安価な電子機器を備えた精密ポンプ駆動システムを必要とする。ポンプドライブは直線測定手段によりポジションが制御された高精度排出を提供しなければならない。コントローラもアクティブノズルとの同調性能と、圧力トランスジューサのごとき外部センサーを提供するＡ／Ｄ性能とを提供することができよう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は生体科学市場の少量高精度排出需要に応えるツーピースポンプと高精度閉鎖ループコントローラドライブシステムとに関する。このツーピースポンプは２径を有するシリンダーおよびピストンを含むことができ、一体型バルブ機構を有したシールレスポンプを提供する。ポンプシリンダとピストンは３以上の径を有しているか、あるいは径をテーパさせたり湾曲状態としている。複径ポンプにおいては、排出液量は径面積の差ｘピストン直線移動距離に関係する。
【０００７】
本発明は複数のインレットポートとアウトレットポートとを有したポンプおよび高精度制御システムと複径ポンプとを組み合わせている。この形態は、例えばマイクロチタープレートピペット測定で使用できる単ポンプで精密複アウトレット排出を提供する。マイクロチタープレート排出のための容積移送ポンプオプションは複数のインレットポートとアウトレットポートとを有したポンプの使用である。
【０００８】
複径シリンダの好適なインレットポートポジションはシリンダの小径部であり、アウトレットポートの好適ポジションはシリンダの大径部である。しかしながらアウトレットポートやインレットポートはシリンダの別の場所に設置することもできる。通常はシリンダの小径部は大径部よりも下方部分に設置される。ピストンは大径部の溝と連結した溝を小径部に有することができる。
【０００９】
アウトレットポートやインレットポートの数はピストン／シリンダ径および隣接ポート間の間隔によって規制される。ポートの最小間隔が５ｍｍであり、ポンプが１０の１ｍｍのポート（８つはアウトレットで２つはインレット）を有していれば、必要なポンプ径は１９ｍｍ少々である。μｌ単位での液量排出のための１９ｍｍ径ポンプでは径差は小さくなければならず、直線移動させるドライブは非常に少量を直線移動させるものである必要がある。
【００１０】
本発明の１好適ポンプ形態では２インレットポート／８アウトレットポートを有した２径複ポートポンプを使用する。そのポンプはミキシングも可能である。なぜならポート１からポンプ内に液体を注入し、続いてポート２から注入してピストンを回転させ、環状ミキシングを達成できるからである。ピストン溝はこのミキシングを助けるが、ポンプは他の機能も有することができ、空気を閉じ込めない限りこのミキシングを助けることができる。
【００１１】
排出液の回収のためにポンプシステムは９（または他の奇数）のアウトレットポートを使用することができる。この９番目のポートはインレットポートの１つと整合する。このアウトレットポートは液体供給部または回収用の容器に接続できる。この形態では整合したインレットポートを空気供給部と接続させて整合したアウトレットポートから残りの液体を強制排出させることもできる。
【００１２】
別形態では整合インレットポートとアウトレットポートを洗浄液またはフラッシュ液と接続させることができる。ピストンはインレットポートにて液圧によって洗浄でき、ピストンとシリンダとの間の液体境界層の洗浄のためにピストンを回転させることができる。同数のインレットポートとアウトレットポートを提供し、使用しないポートを特注形態に合わせて塞ぐこともできる。
【００１３】
この精密ポンプドライブはポンプピストンの直線移動を制御する少なくとも１つのステッパモータまたはＤＣモータを含むことができる。通常は、ピストンの回転を制御する別のステッパモータまたはＤＣモータをも含んでいる。これで１つのポンプインレットまたはアウトレットポートをピストン溝と整合させることができる。
【００１４】
ピストンの直線移動は一般的にボールスクリューを回転させる第１ステッパモータで提供される。回転しないように保持されていればボールスクリューナットは直線的に移動し、ピストンに必要な直線移動を提供する。直線移動センサーはピストンのポジションを非常に精密にモニターでき、システム全体はマイクロコントローラによって閉鎖ループで駆動できる。
【００１５】
この適用のための好適な直線センサーはレニショの０．５ミクロン光スケールまたは同様なスケールのものであり、磁気直線スケールあるいは直線電圧差トランスフォーマ（ＬＶＤＴ）等である。好適なステッパモータは直線移動用５相オリエンタルナノステッパと回転移動用５相半ステップモータである。このナノステッパモータは５００ステップ／回転から１２５０００ステップ／回転まで１６のディスクリート段階範囲を有している。この範囲はオペレータが選択する。
【００１６】
ナノステッパの使用によってドライブは適当な数のステップを０．５ミクロンレニショ線間に持たせる。ＴＨＫ４ｍｍピッチボールスクリューにおいては０．５ピッチ前進のために１５ステップ以上を必要とする。この段階はインレットとアウトレット機能間で選択できる。他の適当なステッパモータまたはＤＣモータでも利用できる。
【００１７】
１例として、ポンプは１００００ステップ／回転でインレットポートに液体を注入し、１２５０００ステップ／回転でアウトレットポートから液体を排出できる。このステップ運動の安定性、制御単純性および精度維持性を提供するためにこの好適システムはステッピングモータを含んでいる。直線ドライバをステッパモータあるいはＤＣバルドールエレクトリック社のモータまたはナノモーション社のナノモーションモータのごとき直線モータとすることも本発明の範囲内である。
【００１８】
このポンプシステムは無空気混入液体排出を提供するかぎり水平および垂直を含んで種々なポジションで操作することができる。マイクロコントローラまたはデジタル信号プロセッサはその回転および直線ポジションの提供に好適である。望まれる液体排出量に関する情報をコントローラに入力することで非常に正確な液体排出が提供できる。なぜならシステムの全段階精度は直線エンコーダから導かれるからである。
【００１９】
ピストンの移動または運動は移動を滑らかにするガウスプロファイルの使用を含んだいくつかの運動速度プロファイルによって制御できる。極少液量を効果的に排出させるためコントローラはオプションでアクティブノズルとインターフェースすることができる。このインターフェースはピストン機能をアクティブノズルの機能と同調させることができる。オプションであるアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ機能の追加はシステムを圧力トランスジューサ等の外部源とインターフェースさせる。
【考案を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は２径複ポートツーピースポンプを示す。それはピストン（１）とシリンダ（２）とで成る。ピストンはキー式コネクタとピストンキーを使用してドライブシステムに接続されている（７）。下方コネクタ（６）もキー式としてドライブ機構のベース部に固定できる。コントローラおよびポジション検出センサーは固定シリンダに対するピストン回転及び直線ポジションを決定する。ピストン外径とシリンダ内径は非常に狭いクレアランスを有しており、液体境界層シール状態を提供する。シリンダに沿った位置にはインレットポート（３）とアウトレットポート（４）が提供されている。インレットおよびアウトレットフィットリングに螺合する種々な管フィット器具（５）が利用できる。
【００２１】
図２はフィット具１０がどのようにシリンダインレットとアウトレットポートとを密封シールするかを示している。インレット／アウトレットポート１１はシリンダの内径上に方形スリットとして、外径上では円形として示されている。そこでフィット具は密封シールを提供する。ポートスリットは円形孔でもよい。ピストンは大径溝８と小径溝９を含むことができる。大小２径間でアンダーカット部はポンプ製造を助けることができ、大径溝８と小径溝９とを連結させる手段として作用させることができる。図２では溝は２径上で整合して図示されているが、アンダーカット部が両者間で連続液通路を提供するかぎり溝を相互回転させることができる。それら溝を異なるサイズで提供することもできる。
【００２２】
図３と図４はポンプとドライブシステムの全体的な機器を図示する。ピストン１２とシリンダはキー式コネクタ１３でドライブとカップリングできる。使用可能な連結装置は多数存在する。コネクタはユニバーサルジョイント１４にリンクでき、ピストンとシリンダを整合状態に保って使用中に曲げ応力の影響を受けないようにさせることができる。底部ユニバーサルジョイントはベースフレームに接続でき、上部またはピストンのユニバーサルジョイントは２つの角接触ベアリング１５でその場に保持されたロッドに接続できる。これらプレロードされたベアリングはピストン回転を提供できるが直線移動は提供しない。滑車をベアリングシャフトの上部に搭載できる。滑車、関連ベルト３２およびモータ滑車３１は回転ステッパモータ３０をピストンにカップリングさせる手段を提供できる。
【００２３】
滑車はインレットとアウトレット整合ノッチを有して光スイッチに回転ポジションを検出させることができる。下方滑車フランジには普通は回転ドライブ用のホームポジションを提供する少なくとも１つのノッチが存在する。可動上方サポート２９は回転ベアリング搭載、回転ドライブ機器および直線ボールスクリューナット２８用の搭載面を提供することができる。可動上方サポート２９は直線ボールガイド３５にカップリングできる。
【００２４】
図はボールガイド３５に対してシフトされた上方サポートを図示する。ピストンはシリンダの外側で見られる。通常はこれら２表面は整合しており、上方サポートは固定具でボールスライドキャリエッジに固定されている。このキャリエッジには上方および下方リミット磁気スイッチ、ホーム磁気スイッチおよび光スケールが取り付けられている。レニショ光ヘッド３４はフレームに固定でき、ボールガイドキャリエッジのポジションを検出する。ボールガイドレール３３はベースフレームに取り付けられている。
【００２５】
上方サポート２９は直線ボールスクリュー２７の回転によって直線ガイドレール構造体３３、３５に沿ってスライドすることで上下移動できる。上部サポートに取り付けられたボールスクリューナット２８は上下直線運動へのボールスクリュー回転運動の変換を提供する。力によるサポートと軸方向移動の排除は別セットの角度コンタクトベアリング２６によって提供できる。ボールスクリューはシャフトカップリング２５によってステッパモータ２４にカップリングできる。
【００２６】
図５から図１２はマイクロコントローラシステムの特定実施例の詳細を示す。多くの他の実施態様も本発明の範囲内である。この好適実施例は本発明の説明のために供される。
【００２７】
コントローラはシリンダに対するピストンの直線ポジションの超高精度閉鎖ループコントロールを使用した制御手順を実行する。ピストンは直線と回転である２種類の移動／運動をシリンダに対して行う。直線移動は超高精度ポジションセンサーからのリアルタイムフィードバックでナノステッパモータ等の高精度モータをコマンドすることで提供される。好適な直線センサーはレニショ光スケールであり、精度は０．５μｍである。別ステッパモータを２つのバイナリセンサーからのフィードバクでコマンドすると、シリンダに対するピストンの回転運動が発生する（ループ開放）。
【００２８】
コントロールシステムはこのバイナリセンサーをモニターし、特定インプットポートとアウトプットポートの係合を確認する。シリンダ上の適切なポートとピストンのスリットとの正確な整合はポンプの効果的な操作に必須である。よって、回転制御は充分に正確であって適切な整合が達成されなければならない。
【００２９】
この好適コントローラはインテル８０Ｃ１９６マイクロコントローラを使用する。図５はチップベースコントローラシステムの構造ブロック図を示す。このシステムは１６ビットマイクロコントローラ（または他の充分なバス幅）を１０ビット以上のＡ／Ｄコンバータと共に含むことができる。ＰＳＤ４１３５Ｇ２フラッシュメモリ等はプログラムとデータの保存に使用できる。ＲＡＭメモリはオプションでバッテリバックアップできる。ＪＴＡＧポートはプログラムのローディングと修正に利用できる。
【００３０】
この好適システムは複数のモータコントロール出力を有している。１つは直線移動用ナノステップドライバ５０ＲＦＫに対するものであり、他方はシリンダに対するピストンの回転運動のためのＳＤ５１１４ドライバに対するものである。複ポートノズルを制御するためコントローラは８デジタル出力（１２ポートに拡張可能）を有している。４つのアナログ入力チャンネルが存在できる。１つはオプションで液体の圧力モニターに使用できる。
【００３１】
このマイクロコントローラはＲＳ２３２とＣＡＮバスインターフェースも有している。このＲＳ２３２連続インターフェースを介してユーザはパソコン（ＰＣ）でポンプを制御できる。別の通信インターフェースはＣＡＮバスでよく、それを利用して複数ポンプがネットワークを介して制御できる。このシステムの他の機能にはリセット、緊急停止、手動排出機能等が含まれる。将来的な利用のために本システムはノズル制御、ＬＥＤ表示等のために４チャンネルデジタル入力と８チャンネルデジタル出力をも有する。
【００３２】
本発明を高精度少量アレイ排出用に使用するためにはアクティブノズルの使用が必要である。液量はμｌよりも小さい場合があるので、ユニットの出力ポートに接続された従来式管では利用しにくい。そのような少量の場合には重力の影響は無視することができ、表面張力が問題となる。一体的アクティブノズルを備えたユニットは図６において図示されている。このアクティブノズルは二次的アクチュエータとして作用し、液体を出力管から押出す。コントローラに提供されたマイクロアレイインターフェースはアクティブノズルドライバとインターフェースできる。ピストンを動かすコマンドはノズルを作動させるように同調させることができ、微小液滴を提供できる。
【００３３】
図７は利用可能な監視制御アルゴリズムを示す。ユニットにスイッチが入れられるとユーザは９つの機能から１つを選択するオプションが与えられる。そのようなシステム構造では新機能をハードウェアを交換せずに容易に追加することができる。
【００３４】
それらの機能を解説する。
【００３５】
フィルサイクル（Ｆｉｌｌ  Ｃｙｃｌｅ）：この機能が呼び出されるとピストンはまず所定ポートにまで回転し、続いて直線移動によってポンプはそのホームポジションに進行する（シリンダに対してピストン最下方部）。ピストンは次に回転してインプットポートと整合し、上方に所定の距離あるいは最大限移動する。ポンプが所定量の液体で完全に満たされるとピストンは停止する。図８はフィルサイクルのフローチャートである。
【００３６】
ポンプサイクル（Ｐｕｍｐ  Ｃｙｃｌｅ）：この機能は通常はフィルサイクル後に開始される。選択されると、そのポジションでない場合にはピストンは回転してそのスリットを適当なアウトプットポートと整合させ、その後にホームポジションに到達するまで下方に移動し、ポンプの最大量を排出させ、停止する。
【００３７】
排出サイクル（Ｄｉｓｐｅｎｓｅ  Ｃｙｃｌｅ）：この機能はポンプサイクルとは異なる。このサイクルではユーザは最大量以下の液体排出量を選択するオプションを有する。コントローラはそこに存在しないならピストンを回転させ、そのスリットを適当なアウトプットポートと整合させる。ピストンはコマンドによって２つのモードの一方（短パルスまたは複パルス）にて下方移動する。単パルスの場合にはピストンは１モータステップだけ下方移動し、システムに可能な最少液量を排出する。複パルスの場合にはナノステップモータはコマンドされて所定数のパルスによって移動する。この排出サイクルは図９で図示されている。
【００３８】
プライムサイクル（Ｐｒｉｍｅ  Ｃｙｃｌｅ）：この機能ではポンプはコマンドによってホームポジションに移動し、フィルサイクルとポンプサイクルが連続して続く。このプライムサイクルは１回または複数回であり、扱われる液体の流体特性により決定される。
【００３９】
ロード／アンロードポンプ（Ｌｏａｄ  ａｎｄ  Ｕｎｌｏａｄ  Ｐｕｍｐ）：ユーザはこの機能をポンプの変更のために呼び出すことができる。これにはまず現存ポンプを空にして新ポンプを充填する。ポンプサイズアルゴリズムが続く。このアンロードコマンドは通常はホームポジションに移動するポンプで望むポートと整合するように移動させ、アンロードポジションに到達したことを示す信号を表示させる。同様に、ポンプローディングアルゴリズムはポンプをロードポジションに移動させる。
【００４０】
カリブレーションサイクル（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｃｙｃｌｅ）：カリブレーションサイクルはポンプカリブレーションを更新する機能を提供する。普通はポンプが交換される度に必要である。このサイクルはホームポジションでフィルサイクルおよび排出サイクルを開始する。ポートからの出力は重量測定され、または他の方法（例えば光手段）で量測定されてカリブレーション表が更新される。
【００４１】
ポンプサイズ（Ｐｕｍｐ  Ｓｉｚｅ）：この機能は新ポンプがユニットに搭載されるときに使用される。利用可能な全ポンプのデータベースが利用可能であり、そこからユーザはポンプを選択する。このプログラムはストローク長と液量との間の全関係を計算し、それを現行データベースとする。
【００４２】
ホーム（Ｈｏｍｅ）：ホームポジションは回転ホーム信号及び直線ホーム信号の両方を検出することで達成される。回転ホーム位置は２つのバイナリセンサーで決定される。これらはいつピストンが回転し、そのスリットがインプットポートと整合したかを示す光センサーでよい。滑車内のオプションスリットはピストンスリットを望むポートと整合させる手段として作用することができる。直線モータホームはピストンがその最下方ポジションに移動するときに発生する直線スケールパルスをモニターすることで達成される。光センサーアウトプット信号はホームパルス出力を含む。
【００４３】
ポンプローディング確認（Ｖｅｒｉｆｙ  ｐｕｍｐ  ｌｏａｄｅｄ）：この機能はポンプの適正なローディング状態を確認するものである。ピストンとユニバーサルジョイントとの間のインターフェースでのバイナリスイッチはポンプの存在の検出に使用できる。コントローラはそのことが実現するまでピストンの動きを禁止する。
【００４４】
コントローラの機能のほとんどはピストンを軸に沿ってスピンドルと相対的に動かす任務である。この運動の精度はポンプの精度を決定する。この安価な超高精度ポンプの１つのユニークな機能はこれら直線移動がシリンダに対するピストンのリアルタイム閉鎖ループ制御を使用して正確に行われることである。さらに、ガウス速度プロファイルが使用可能で不都合な衝撃動を排除し、ステップの欠落を回避させる。
【００４５】
ピストンをフィリング、排出、プライミング等のために移動させる際のスタート時とストップ時にジャーク衝撃が回避できるように速度プロファイルを提供することが望ましい。シリンダに対するピストンの急激動は不都合なジャーク衝撃の発生に加えて仕事量とエラー補正の仕事を増加させる。よってスムーズな運動を達成するのにガウス速度プロファイルが選択可能である。図１０はこの直線移動に使用できるガウスアルゴリズムのフローチャートである。移動距離がユーザによって入力されたらガウス速度表が作成される。速度と距離の関係のプロファイルが移動に必要な距離に対して作成される。ナノステッパモータの速度は時間遅延、すなわちパルス幅を変更することで変更できる。時間遅延は計算速度の逆関数を発見することで計算でき、それぞれのステップに対して作表できる。そうすれば１または複数の排出サイクルがガウスプロファイルで呼び出せる。これは図１０に示されている。
【００４６】
本発明の１つのユニークな特徴はシリンダに対するピストンの直線移動のリアルタイム閉鎖ループポジション制御一体化である。使用の際、ユーザがピストン移動距離を選択すると、コントローラは前述のように速度表を作成してガウスプロファイルをフィットさせる。この表に従ってコントローラはナノステッパモータにコマンドを発し、ピストンを上昇または下降させ、ピストンポジションのモニターを開始する。シリンダに対するピストンのポジションはレールとキャリエッジとの間の相対移動を測定して得られる。この実施例のポジションセンサーである光センサーはデジタル方形信号を出力し、コントローラの２つの高速デジタル入力（ＨＳＩ）チャンネルに供給する。２つの方形チャンネルの全変移数はシリンダに対してピストンが移動した距離に比例する。
【００４７】
少なくとも２つの利用可能な制御アルゴリズムである複パルスおよび単パルスが存在する。それらはそれぞれの直線移動で使用される。まず複パルス移動が複パルス移動アルゴリズムを使用して開始できる。このアルゴリズムではナノステッパは高速出力（ＨＳＯ）チャンネルを介してコマンドされ、速度制御用のガウス表に従って所定の距離（本実施例ではストロークの大部分）を移動する。同時にセンサーからの方形パルス出力が数えられ、実際の移動ポジションを把握させる。
【００４８】
複パルスモーションが完了するとコントローラは単パルスアルゴリズムを開始できる。まず、存在するならエラーが計算される。次に、実際のポジションが保存された数値を使用して計算でき、シリンダに対するポジションの予想ポジションと比較される。もしモータがオーバーロード、オーバースピードまたは他の理由によってパルスコマンドを飛ばしたら、そのエラーは非ゼロとなろう。エラーが知られたらコントローラは単パルスコマンドをナノステッパに対して送り、それぞれのパルスの動きを確認する。換言すれば、この動きはリアルタイムでのそれぞれのステップと関連する動きをチェックすることで制御できる。この方法は速度を落とさせるが、さほど重要ではない。なぜなら、運動を停止させる準備で速度が非常に遅いガウス領域で発生するからである。さらに、この領域はピストンの全運動量と比較すれば非常に小さい。この２段階アルゴリズムは超高精度リアルタイム制御の必要性と全体的液体排出速度との間の最良バランスを提供する。
【００４９】
回転ポジションは２つのバイナリ光センサーとスリット付き２つの円形ディスクを使用して決定できる。回転滑車の上側と下側はそれら２つの円形ディスクとして利用できる。滑車の上部は１つのスリットを有し、下部はシリンダの１０のポートに対応する１０のスリット（他数も可）を有することができる。逆も可。スリット数はポンプのインプットポート及びアウトプットポート数による。スリットは底部の１０スリットが等間隔となり、その１つが最上スリットと合致するように提供される。この実施例ではスリットの検出には２つの光センサーが利用される。それらは上回転センサーか滑車の上部のスリットを見て、下センサーが滑車の下部の１０スリットを見るように配置される。ホームポジションとポートポジションとは逆にすることもできる。
【００５０】
両方のセンサー出力が高値（または回路形態によっては低値）を読み取るとき、上部スリットと下部スリットは整合してホームポジションを提供する。その他の場合には、上部センサーは低出力を提供し、下部センサーはポートが定ポジションに存在するか否かによって低出力と高出力を交互に提供する。
【００５１】
本発明をさらに別の目的で容器内への液体排出に使用するには、手持ち排出装置がしばしば必要になる。この装置はユニットのピストン運動を開始させるトリガー機構を有することができる。ユーザは前もって液体排出量を選択し、装置を望む位置に配置してユニットのポンプ作用を開始させる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は高精度液体排出が重要な要素である生体科学と薬剤産業における高有用性を見出した。本発明は産業または臨床環境および研究所において利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】複径複ポートツーピースポンプを図示する。
【図２】複径複ポートツーピースポンプの断面図である。
【図３】高精度ポンプドライブフレームと電気機器の１実施例を図示する。
【図４】スライドおよび光エンコーダ機器を図示する。
【図５】利用可能なコントローラシステムの構造を示す。
【図６】アクティブノズルとコントローラとの間のインターフェースを示す。
【図７】監視制御手順を示す。
【図８】単パルス排出提供サイクルを示す。
【図９】提供サイクルのフローチャートを示す。
【図１０】ガウス運動アルゴリズムを示す。
【図１】
0003125386.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003125386.tif 000007
【図６】
0003125386.tif 000008
【図７】
0003125386.tif 000009
【図８】
0003125386.tif 000010
【図９】
0003125386.tif 000011
【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年10月13日(2005.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
高精度液体排出システムであって、
外側シリンダ内に提供された複径ピストンを有したツーピースポンプであって、該外側シリンダは該ピストンと同数の異サイズ径を有しており、本ポンプは該外側シリンダに取り付けられ、該ピストンと該外側シリンダとにより形状化された複数のインプットポート及びアウトプットポートを有しているポンプと、
前記外側シリンダに取り付けられ、該外側シリンダを固定保持する固定フレームと、
前記ピストンに取り付けられ、前記固定フレームに対して移動することで該ピストンを移動させるスライドフレームと、
前記スライドフレームに取り付けられ、前記ピストンとカップリングしており、該ピストンを複数のポートポジション間で回転させる第１モータと、
前記固定フレームに取り付けられ、前記スライドフレームを該固定フレームに対して移動させて前記ピストンを移動させる第２モータと、
インプットとアウトプットが関与する閉鎖ループフィードバック制御システムであって、該インプットは前記ピストンのポジションに対応し、該アウトプットは前記第２モータ制御し、本閉鎖ループフィードバック制御システムは前記ピストンに所定量の液体を精密に排出させる閉鎖ループフィードバック制御システムと、
を含んで構成されることを特徴とする高精度液体排出システム。
【請求項２】
複径ピストンと複径シリンダは大径と小径を有しており、インレットポートは該小径側に提供されていることを特徴とする請求項１に記載の高精度液体排出システム。
【請求項３】
アウトレットポートは大径側に提供されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高精度液体排出システム。
【請求項４】
第１モータと第２モータはステッパモータであることを特徴とする請求項１に記載の高精度液体排出システム。
【請求項５】
少なくとも１つのインプットポートと少なくとも１つのアウトレットポートは整合状態であることを特徴とする請求項１に記載の高精度液体排出システム。
【請求項６】
ピストンのポジションに対応し、閉鎖ループフィードバック制御システムにインプットを提供する直線状スケールをさらに含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の高精度液体排出システム。
【請求項７】
第２ステッパモータは１２５０００ステップ／回転であることを特徴とする請求項４記載の高精度液体排出システム。
【請求項８】
ツーピースポンプは制御式ノズルにカップリングされたアウトプットを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の高精度液体排出システム。
【請求項９】
制御式ノズルは閉鎖ループフィードバック制御システムにより制御されることを特徴とする請求項８記載の高精度液体排出システム。